温拌再生沥青混合料的压实特性研究

纪小平， 许 辉， 侯月琴， 谭学章

（1.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西西安710064；2.甘肃省公路管理局，甘肃兰州730030；3.甘肃省高等级公路建设开发有限公司，甘肃兰州730030）

路面再生技术能实现废旧沥青路面材料（RAP）的循环再生利用，作为一种绿色交通技术而被广泛应用[1－3].目前，国际上已形成了一套较完整的设计、评价和施工方法，并达到规范化程度，但仍有一些技术问题需要解决.考虑到沥青的二次老化，热拌再生沥青混合料中RAP的掺配量受到严格限制[4－6]，而沥青混合料的温拌技术能够实现在相对较低的温度下进行拌和与碾压，较热拌沥青混合料低30～50℃.因此，将温拌与再生技术相结合，实现优势互补，不仅能大幅提高RAP的使用比例，而且能实现在较低温度下的拌和与压实，从而达到RAP循环利用和节能减排的双重目的[7－8].温拌再生沥青混合料（WMRA）是一种新型的环保型材料，国内外仍处于探索阶段.

本文以WMRA为研究对象，通过室内试验和理论分析，展开成型温度确定和压实特性的研究，为施工过程的温度与压实控制提供参考，有利于新材料的推广应用.

1 原材料和混合料设计

采用离心式抽提法检测RAP中的沥青油石比为4.93%1））本文所涉及的比值、掺配量等除特别说明外均为质量比或质量分数.，并分离出旧集料，其技术性质见表1.采用阿布森法回收RAP中的沥青，新沥青为克拉玛依90号基质沥青，两者的技术指标见表2.采用布氏旋转黏度计测试回收沥青与新沥青在不同温度下的黏度，用于分析混合料的拌和与成型温度，见表3.新集料为玄武岩，其技术指标见表4.

表1 回收集料的技术性质Table 1 Technical indexes of recycled aggregate

表2 沥青技术性质Table 2 Technical indexes of asphalts

表3 沥青黏度Table 3 Viscosity of asphalts Pa·s

采用2种温拌剂进行对比研究.一种为美德维实伟克的Evotherm，国内也称DAT，其原理是将化学表面活性剂配置成皂液的形式直接加入拌和缸，通过水膜的润滑作用提高混合料的流动性，使混合料易于碾压密实，降温幅度能达30～50℃，掺量为沥青质量的5%.另一种为HPAS，由表面活性剂和低分子聚合物共聚得到，具有良好的耐高温性，通过调节主链长度，可有效降低沥青高温黏度，同时其中定量的表面活性剂可以降低石料间的摩擦.HPAS掺量为沥青质量的5%，降温幅度与DAT相当.

表4 新集料技术性质Table 4 Technical indexes of new aggregate

选用AC－20型混合料，RAP掺配量分别为10%，30%和50%.将粗、细集料筛分成单粒级再进行回配，可将不同RAP掺配量的矿质混合料级配设计成同一级配，见表5所示.理论法预估再生沥青混合料的油石比为4.6%.

采用旋转压实仪（SGC）成型试件，主要基于以下考虑：（1）NCAT的研究成果表明，采用旋转压实成型确定的液体类温拌剂的降温幅度与现场的更接近；（2）旋转压实仪能实时记录不同压实次数下的试件高度，进一步获取不同压实次数下的密实度.SGC成型参数如下：压力600kPa，旋转角度1.25°，旋转速度30r／min；初始旋转压实次数Nini为8次、设计旋转压实次数Ndes为100次、最大旋转压实次数Nmax为160次.

表5 再生沥青混合料的级配Table 5 Design gradation of reclaimed mixtures

2 WMRA拌和与成型温度的确定方法

与热拌混合料不同，WMRA的拌和温度还与新集料的加热温度、RAP掺配量和温拌降温幅度有关.参考笔者以前的研究成果，提出WMRA拌和与成型温度、新集料加热温度的确定方法.本文中不同类型混合料的SGC成型温度统一采用计算值，以排除因采用非最佳成型温度而对压实特性参数造成的影响.在热拌再生沥青混合料（HMRA）的基础上，结合温拌剂的降温效果，提出WMRA拌和与成型温度的确定方法：

步骤1：HMRA拌和与成型温度的确定 再生沥青混合料的拌和与成型温度应由再生沥青的复合黏温曲线确定，如式（1）[9].采用式（1）计算黏度分别为（170±20）mPa·s，（280±30）mPa·s所对应的温度为HMRA的最佳拌和温度t1与成型温度t2.

式中：ηm为再生沥青的黏度，mPa·s；t为温度，℃；a0，b0分别为回收沥青的黏温参数；as，bs分别为新沥青的黏温参数；x为回收沥青与再生沥青的质量比.

步骤2：WMRA拌和与成型温度的确定 根据温拌剂的降温幅度Δt，确定WMRA的最佳拌和温度twm＝t1－Δt和成型温度twc＝t2－Δt.

步骤3：新集料加热温度的确定 RAP因新集料的热量传导而达到目标拌和温度，RAP掺配量越大意味着需要越高的新集料加热温度.采用式（2）计算新集料的加热温度[9]：

式中：ta为新集料的加热温度，℃；wa，wR，wf分别为新集料、RAP、矿粉的质量分数，%；ca，cR，cf分别为新集料、RAP、矿粉的比热容，kJ／（kg·℃）；tR，tf分别为RAP、矿粉的初始温度，℃；r为RAP的掺配量，%.

按照上述方法，计算本文SGC成型试件的新集料加热温度、混合料拌和与成型温度，步骤如下：

（1）根据表3中的沥青黏度，回归得到新沥青与回收沥青的黏温曲线，如式（3），（4）：

式中：ηs，ηo分别为新沥青和回收沥青的黏度，mPa·s.

（2）当RAP掺配量分别为10%，30%和50%时，再生沥青混合料中新沥青与回收沥青的质量比ms∶mo分别为0.90∶0.10，0.69∶0.31，0.49∶0.51；结合式（1），（3）和（4），进一步推导再生沥青的复合黏温曲线为：

式中：η10，η30，η50分别为RAP掺配量为10%，30%和50%时混合料中再生沥青的黏度，mPa·s.

（3）依据复合黏温曲线计算黏度为170，280mPa·s所对应的温度，得到HMRA的拌和与成型温度.

（4）DAT和HPAS的降温幅度为30℃，用HMRA的拌和温度与成型温度减去降温幅度，即可得到WMRA的拌和温度与成型温度.

（5）根据式（2）计算确定新集料的加热温度.

最终确定的温度结果见表6所示（表6中的HR－10，HR－30，HR－50分别代表RAP掺配量为10%，30%，50%的热拌再生沥青混合料；WR－10（D），WR－30（D），WR－50（D）分别代表RAP掺配量为10%，30%，50%的DAT温拌再生沥青混合料；WR－10（H），WR－30（H），WR－50（H）分别代表RAP掺配量为10%，30%，50%的HPAS温拌再生沥青混合料）.按照表6中的温度进行新集料加热、混合料拌和与成型.

表6 混合料的拌和与成型温度Table 6 Mixing and compaction temperature of mixtures

3 WMRA的空隙率

空隙率（VV）能直观反映混合料的密实程度，对不同混合料的VV展开对比分析，以评价WMRA的可密实性及温拌剂的降温效果.测试SGC成型试件在旋转压实次数为Ndes时的相对毛体积密度γ，并计算空隙率VV，矿料间隙率VMA和沥青饱和度VFA，结果见表7.由表7可知：

（1）随着RAP掺配量的增大，在新集料加热温度和成型温度大幅提高的情况下，VV仍大幅增大.这是因为随着新集料加热温度的提高，沥青老化趋于严重，使得沥青的流动性大大降低，进而影响混合料的和易性.

（2）当RAP掺配量为10%时，WMRA的空隙率略小于HMRA，说明2种温拌剂的降温效果略高于30℃.

（3）当RAP掺配量为50%且成型温度一致时，掺DAT的WMRA空隙率是7.7%，掺HPAS的WMRA空隙率是4.3%，说明2种温拌剂具有不同的加热稳定性，相比而言HPAS具有较好的加热稳定性.究其原因可能是DAT中的水微粒结构在高温条件下损失进而使其失去了润滑作用，进一步导致混合料不易密实成型[8].

表7 混合料的体积参数Table 7 Volume parameters of mixtures

4 WMRA的压实特性

4.1 沥青混合料压实特性的分析参数

SGC成型试件的密实曲线可以反映混合料在不同阶段的压实特性，一般采用压实能量指数CEI，交通密实指数TDI，密实曲线的两个斜率K1，K2这4个指标来评价[10－12].

压实能量指数CEI是指在摊铺与碾压过程中，摊铺机和压路机将混合料压实到指定密实度时所需做的功.通常用将混合料从松散状态压实到92%密实度的密实曲线面积来计算，如图1.CEI越大，说明混合料的和易性越差且不易被压实.

图1 压实能量指数Fig.1 Compaction energy indexes

交通密实指数TDI是指在开放交通后，在交通荷载的反复作用下混合料被压密到极限密实度时所需做的功.通常用密实度为92%～98%的密实曲线面积来表征.TDI越大，在开放交通后路面抵抗变形的能力越大.

斜率K1为半对数坐标中Nini至Ndes范围内密实曲线的平均斜率，可反映混合料的压实速率，采用式（8）计算.K1越大，说明混合料被碾压至一定密实度时所需的次数越小，碾压速率就越大.

式中：γdes，γini分别为旋转压实次数为Ndes和Nini时的混合料密实度，%.

斜率K2为直角坐标系中压实曲线Ndes至Nmax范围内密实曲线的平均斜率，同TDI一样，用以反映混合料在开放交通后抵抗变形的能力.K2越大，混合料抗变形能力就越差.

4.2 结果与分析

记录在不同旋转压实次数下9种混合料的试件高度，通过计算得到密实度曲线；通过拟合分析，将密实度曲线拟合成指数函数[13]，用于后续的压实特性分析，结果见表8所示.

不同混合料的压实能量指数CEI如图2所示.由图2可知：（1）随着RAP掺配量的增大，在新集料加热温度和成型温度大幅提高的情况下，CEI逐渐增大，混合料难被压实.这是因为随着RAP掺配量的增加，再生沥青混合料中的新沥青含量逐渐减小，混合料的和易性降低；随着RAP掺配量的提高，新集料的加热温度也随之提高，导致沥青过度老化，沥青的黏度提高而流动性降低.（2）加入温拌剂后，在拌和温度和成型温度降低30℃的情况下，CEI总体上具有降低趋势.这是因为较低的拌和温度减弱了沥青的老化，使得碾压密实趋于容易，另外也反映出2种温拌剂的降温幅度略高于30℃.

表8 密实度计算式Table 8 Formula of densification

图2 不同混合料的CEIFig.2 CEI of mixtures

不同混合料的K1值如图3所示.由图3可知：（1）K1值随着RAP掺配量的增大而逐渐降低，说明RAP掺入过多会降低再生沥青混合料的压实速率.（2）HMRA，DAT温拌再生沥青混合料和HPAS温拌再生沥青混合料的K1均值分别为7.1，7.1，7.0%／次，三者基本一致，说明温拌剂对碾压速率基本无影响.

不同混合料的K2值和交通密实指数TDI如图4，5所示.由图4，5可知：（1）随着RAP掺配量的提高，K2值变小、TDI变大，说明在开放交通后混合料抵抗变形的能力逐渐增大.这是由再生沥青中含有更多的老化沥青导致其黏度偏高引起的.（2）HMRA，DAT温拌再生沥青混合料和HPAS温拌再生沥青混合料的K2均值分别为0.029，0.027， 0.028%／次，三者基本一致，说明温拌剂对开放交通后混合料抵抗变形的能力基本无影响.

图3 不同混合料的K1值Fig.3 K1value of mixtures

图4 不同混合料的K2值Fig.4 K2value of mixtures

图5 不同混合料的TDIFig.5 TDI of mixtures

5 结语

（1）当拌和温度和成型温度降低30℃时，WMRA的空隙率略小于HMRA，说明温拌剂的降温效果在30℃左右.

（2）随着RAP掺配量的提高，密实曲线斜率K1，K2值降低，VV，CEI和TDI逐渐增大，表明再生沥青混合料的可压实性和压实速率逐渐降低、开放交通后抵抗变形的能力逐渐增加.

（3）当拌和温度和成型温度降低30℃时，WMRA的VV和CEI均值略小于HMRA，说明温拌剂大大提高了混合料的和易性.

（4）HMRA，DAT温拌再生沥青混合料和HPAS温拌再生沥青混合料的K1，K2和TDI均值基本一致，说明温拌剂对混合料的碾压速率和抗变形能力基本无影响.

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